東京慈恵会医科大学
医学部 生物
2026年度 解答・解説

• 核酸塩基のアデニン，チミン，グアニン，シトシン，ウラシルは，それぞれ A，T，G，C，U で表す。
• この問題に出てくる遺伝子・タンパク質・調節機構のうち，大問1の「亜鉛応答エレメント」と「亜鉛調節タンパク質」は，この問題のために設定した架空のものである。

遺伝子の発現調節に関する各問いに答えよ。

亜鉛は，多くの酵素の働きに必要な金属である。細胞膜には亜鉛輸送体が存在し，細胞外の亜鉛を細胞内に取り込む。細胞内の余剰の遊離亜鉛は，亜鉛貯蔵タンパク質に取り込まれて貯蔵される。

過剰な遊離亜鉛は細胞毒性を示すため，亜鉛貯蔵タンパク質遺伝子と亜鉛輸送体遺伝子の発現が調節されて，細胞内の遊離亜鉛の量は調整されている。この発現調節には，これらのmRNAの一部で形成される亜鉛応答エレメント（ZRE）と，ZREに結合する亜鉛調節タンパク質（ZBP）が共通して関与する。ZBPは亜鉛と結合する性質をもち，亜鉛と結合した状態ではZREと結合できない。すなわち，細胞内の遊離亜鉛濃度に応じて，ZBPとZREの結合状態は変化する。

亜鉛貯蔵タンパク質のmRNAは，タンパク質に翻訳される塩基配列よりも5′末端側にZREを1つもつ。ZREにZBPが結合した状態では，リボソームはmRNAに結合できない。亜鉛輸送体のmRNAは，タンパク質に翻訳される塩基配列よりも3′末端側に3つのZREをもち，それらの間にあるRNA分解酵素γで切断される塩基配列（配列γ）とともに制御領域を形成する。配列γが切断されると，mRNA全体は直ちに分解される。この制御領域のZREにZBPが結合していると配列γは切断されない。また，3′末端側に結合するZBPは翻訳には影響を与えない。ZREだけでは，どの位置に存在しても翻訳には影響を与えない。

ZREは，mRNA上で，領域II，領域I，領域II′がこの順に並んだ部分から形成される。領域IIと領域II′は互いに相補的な塩基配列で，対になって立体構造をつくる。領域Iは種を超えて保存された6塩基の配列で，5′→3′方向に CUGACA である。

ZBPとZREによる調節機構は，外来の遺伝子に対しても機能させることができる。これを確認するために，以下の実験を行った。

＜実験1＞

（実験1－1）外来のタンパク質Bの遺伝子（遺伝子B）が組み込まれた発現用のプラスミド（発現プラスミド）を制限酵素1および2と反応させ，プロモーターと遺伝子Bの間の2カ所で切断した。制限酵素の認識配列と切断のしかたは，次のとおりである。制限酵素1〜3の認識配列は，それぞれ 5′－GGATCC－3′，5′－ACTAGT－3′，5′－TGATCA－3′ で，いずれも2本鎖の両鎖において5′側の1塩基目と2塩基目の間で切断される。切断された発現プラスミドの，プロモーター側の末端は酵素1，遺伝子B側の末端は酵素2による切断末端である。

（実験1－2）以下に示す3種類のDNA断片（断片#1，#2，#3）を作製した。いずれも同じ長さである。

断片#1：両端に制限酵素1と2による切断後にあらわれる塩基配列（切断配列）をもち，ZREに転写される配列を含むDNA断片。その中央部で，領域Iに転写される配列を含む部分の2本鎖を，次のように呼ぶ。上側の鎖（5′→3′が左から右で，転写の向きと同じ）の塩基配列が 5′－CTGACA－3′ で，これを配列①とする。これと塩基対をつくる下側の鎖の配列を配列②とする。

断片#2：両端に制限酵素2と3による切断配列をもち，ZREとして機能しない塩基配列をもつDNA断片。

断片#3：両端に制限酵素1と3による切断配列をもち，ZREとして機能しない塩基配列をもつDNA断片。

制限酵素1〜3の認識配列は，断片#1〜#3の内部には存在しない。

（実験1－3）（実験1－1）で切断したプラスミドと，（実験1－2）の3種類のDNA断片をそれぞれ混ぜた後，酵素δを加え反応させた。これにより，断片#1と断片#2はそれぞれプラスミドの切断部と両端がつながり，断片#1が発現プラスミドに挿入されたプラスミド#1，断片#2が発現プラスミドに挿入されたプラスミド#2が形成された。しかし，断片#3だけは発現プラスミドにつなぐことができなかった。なお，プラスミド#1，#2においてDNA断片が挿入された場所は，ZREが遺伝子Bの発現を調節できる位置である。

（実験1－4）以下のようなプラスミド#4も作製した。

プラスミド#4：遺伝子Bの3′末端側に，亜鉛輸送体の制御領域の塩基配列を発現調節が行えるように組み込んだもの。

＜実験2＞

プラスミド#1と#2のそれぞれを鋳型DNAとし，挿入したDNA断片を含む領域を，プライマーを用いたPCR法で増幅した。増幅してきたPCR産物をそれぞれ産物#1および産物#2とする。産物#1を制限酵素と反応させ，アガロース（寒天）ゲルで電気泳動を行い，DNAのバンドを確認した。その結果を図1のレーン2〜4に示す。使用した制限酵素は図1の表（使用した場合は＋，使用していない場合は－）のとおりである。図1のレーン1と5には，制限酵素と反応させていない産物#1と#2を電気泳動している。

＜実験3＞

プラスミド#1，#2，#4のいずれかを，ZBPとRNA分解酵素γが発現している細胞に導入し，その後，亜鉛を含まない培養液中で培養した。十分に培養した後，薬剤を加えて転写を阻害した。この時間を0時とする。培養液に細胞毒性が生じない量の亜鉛を加え，細胞内のZBPに亜鉛が十分結合するX時まで培養し，遺伝子Bの発現量を調べた。なお，この細胞内の亜鉛濃度は，培養液中の亜鉛濃度を速やかに反映する。

遺伝的変異と嗅覚・乳糖分解酵素に関する各問いに答えよ。

I．生物の個体間には，たとえ同じ種であっても形質に違いがある。これを変異という。変異には，遺伝する変異（遺伝的変異）と遺伝しない変異（環境変異）がある。遺伝的変異はアによって生じ，ある種の環境因子はアの発生率を増加させる。$^{(a)}$ 遺伝的変異が，長い年月をかけ自然選択を受け，生存や繁殖に有利な形質をもつ子孫が増えることで，生物は進化する。

においの受容は，鼻の奥のイにある嗅細胞の繊毛で，においの分子が嗅覚受容体と結合することで始まる。嗅覚受容体は，7回膜貫通型のウ共役型受容体であり，においの分子の種類ごとに異なる嗅覚受容体が存在する。ヒトでは約400種類の嗅覚受容体の遺伝子（以下，嗅覚受容体遺伝子と略す）がゲノムに存在している。$^{(b)}$ それぞれの嗅覚受容体のアミノ酸配列や嗅覚受容体遺伝子の塩基配列には，類似性（相同性）が認められる。嗅覚受容体遺伝子の種類や数は，種によって異なっていることが知られており，これは適応進化によるものと考えられている。$^{(c)}$

II．乳糖（ラクトース）は，乳に含まれる二糖で，小腸上皮細胞に発現する乳糖分解酵素（ラクターゼ）によって分解される。多くの哺乳類では，離乳後にラクターゼ遺伝子（LCT遺伝子）の発現が低下するが，ヒトの中には，成人になってもラクターゼの活性が高いままの人がいる。そこで，以下の実験を行い，その違いをゲノムの変化で説明できるか検討した。

実験1：ラクターゼ活性の測定　成人の被験者300人について，乳糖を摂取した後の血糖値の上昇量から，ラクターゼの活性を求め，活性にしたがって8群に分けた。最も活性が低い群が1，最も高い群が8である。

実験2：被験者のDNA配列の解析　被験者の同意を得たうえで，LCT遺伝子のプロモーターと転写調節領域（以下，プロモーター・調節領域）のDNA配列を解析した。その結果，LCT遺伝子の翻訳開始点から5′側へ数えて1310番目（以下，−1310と記す）の塩基に多型（CまたはT，以下，−1310C および −1310T とする）を見つけた。

実験3：−1310の遺伝子型とラクターゼ活性の関係　実験1の被験者300人について，−1310の遺伝子型とラクターゼ活性の群の関係を調べた。その結果を表1に示す。CC，CT，TT は遺伝子型を表している。

実験4：−1310C または −1310T を含むプロモーター・調節領域の活性測定　−1310C または −1310T を含むプロモーター・調節領域（−2000 から −1）を，ルシフェラーゼの遺伝子の前に組み込んだプラスミドを作製した。ルシフェラーゼは，ルシフェリンという基質を酸化させ，光を放出する化学反応を触媒する酵素である。一定のルシフェリンをルシフェラーゼ溶液に添加した時の発光量を測定することで，ルシフェラーゼの相対的な量を知ることができる。LCT遺伝子が発現している細胞に，作製したプラスミドが同じ量になるよう導入し，一定時間培養した後に細胞を回収し破砕してからルシフェリンを加え発光量を測定した（表2）。プロモーター・調節領域を組み込んでいないプラスミドを用いた時（表2，N）の発光量を1として，相対値を算出した。

実験5：牛乳の摂取量と −1310の遺伝子型との関係　実験1とは別の成人の被験者70人（−1310の遺伝子型が CC：30人，CT：25人，TT：15人）について，1日あたりの牛乳の摂取量を調べ，遺伝子型ごとにその平均値を算出した。その結果を表3に示す。

植物の生殖に関する各問いに答えよ。

I．多くの被子植物では，おしべの葯の中で花粉母細胞が減数分裂を行い，花粉四分子と呼ばれる未熟な花粉の集まりを作る。その後，花粉四分子のそれぞれが体細胞分裂を行い，大きさの異なる2個の細胞ができ，成熟した花粉となっていく。めしべの胚珠内では胚のう母細胞の減数分裂によって形成された胚のう細胞が，連続した3回のA分裂を経て，8個の核をもつ胚のうを形成する。花粉はめしべの柱頭につくと発芽して花粉管を胚珠に向かって伸ばす。花粉管は胚のう中のB細胞が分泌する誘引物質に導かれて胚のうに到達する。C細胞は花粉管内で分裂して2個の精細胞となり，そのうちの1個は卵細胞と受精してDとなり，もう1個は中央細胞の2個の極核と融合してE（核相Fn）となる。

一方，コケ植物では，精子が水中を泳いで卵に達して受精する。

II．多くの被子植物では，同じ花の中で自身の花粉がめしべにつくことにより自家受精が起こる。これを避けるしくみに，自家不和合性がある。自家不和合性には S遺伝子が関わっている。S遺伝子には多くの対立遺伝子があり，S1，S2，S3…Sn と表記される。花粉側の特異性を決めるS遺伝子（花粉側のS遺伝子）と，めしべ側の特異性を決めるS遺伝子（めしべ側のS遺伝子）は異なる遺伝子であるが，ともにS遺伝子座上にあり，強く連鎖しており，組換えはほとんど起こらない。自己と非自己の識別はS遺伝子から作られるS因子により行われる。花粉側のS因子とめしべ側のS因子の型が同一であれば自己，異なっていれば非自己と認識される。別の個体の花でもS因子の型が同一であれば自己と識別される。

アブラナ科の植物では，花粉のS因子は花粉をとりまく細胞（2n）によって作られるタンパク質で，作られたタンパク質は花粉表層に移行する。一方，めしべのS因子は柱頭の細胞膜上に存在する受容体である。例えば，花粉のS1因子とめしべのS1因子が結合すると花粉の発芽が抑制される。

ナス科やバラ科の植物では，花粉のS因子は花粉自身が作る酵素で，異なる型のめしべのS因子を分解する。一方，めしべのS因子は花粉管内に移動して，花粉管内のRNAを分解する酵素である。花粉とめしべが同じ型の場合，めしべのS因子は分解されないため，めしべのS因子により花粉管内のRNAが分解され，花粉管の伸長が抑制される。

同じ遺伝子座にある花粉側のS遺伝子とめしべ側のS遺伝子の型は同じであり，また，各対立遺伝子間に優劣はなく，等しくS因子を作るものとして，以下の問いに答えよ。

アブラナ科に属する多くの植物は自家不和合性を示す。アブラナ科のある属の種Zは，すべての個体が自家受精を行うが，その祖先は自家不和合性の性質をもっていたと考えられている。また，種Zは種内でさらに細分化したグループ（系統）に分けられる。種Zと，その近縁種で自家不和合性を示す種YのS遺伝子のDNA配列を比較したところ，種Zについて次の①〜③のことがわかった。

① 種Zの多くの系統では，花粉側のS遺伝子に自家不和合性の機能を欠損させるさまざまなタイプの変異がある。

② 種Zの一部の系統では，花粉側のS遺伝子のDNA配列には変異がなく，種Yと同じ（Y型）である。

③ 種Zのめしべ側のS遺伝子は，すべての系統で機能が欠損している。ほとんどの場合，めしべ側のS遺伝子の一部に欠失が起こっていることが原因である。

種Zと種Yを用いて，交配実験1〜4を行った。

実験1：花粉側のS遺伝子が機能を欠損している種Zの花粉を，S遺伝子型が同じ種Yのめしべにつけた。結果1：花粉管は伸長した。

実験2：花粉側のS遺伝子のDNA配列がY型である種Zの花粉を，S遺伝子型の異なる種Yのめしべにつけた。結果2：花粉管は伸長した。

実験3：花粉側のS遺伝子のDNA配列がY型である種Zの花粉を，S遺伝子型が同じ種Yのめしべにつけた。結果3：花粉管は伸長しなかった。

実験4：花粉側のS遺伝子のDNA配列がY型である種Zの花粉を，めしべ側のS遺伝子の欠失を正常に戻した種Zのめしべ（S遺伝子型は花粉と同じY型）につけた。結果4：花粉管は伸長しなかった。